创新镁锂混合电池正极材料：陈松等在Cu3VS4中实现双离子共嵌入以优化电池动力学

第一作者：司文惠

通讯作者：陈松*，杨会颖*，张文明*

单位：河北大学，新加坡科技设计大学

双金属硫化物由于其独特的结构和较高的理论容量作为可充电镁电池（rMBs）的潜在候选正极材料，但由于二价Mg²⁺引起的强静电相互作用导致其扩散动力学缓慢。因此，从促进反应动力学和减轻镁化/锂化诱导应力的角度，我们引入了双离子共嵌入策略来加速Cu₃VS₄中的离子迁移，降低离子扩散势垒，促进结构稳定性，以实现更高的比容量、突出的倍率能力和超稳定的循环性能。

近日，河北大学的陈松博士、张文明教授&新加坡科技设计大学的杨会颖教授等，在国际知名期刊ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上发表题为“Dual-Ion Co-Insertion Engineering for Kinetics Enhancement and Stress Regulation in Cu₃VS₄ Toward Durable Magnesium/Lithium Hybrid Batteries”的观点文章。该观点文章首次将Cu₃VS₄通过双离子共嵌入策略作为镁锂杂化电池（MLHBs）的有效正极进行应用。基于逐步嵌入-转换-脱出反应机理，分析了电极材料的性能，并详细研究了其综合表征、动力学行为、DFT计算和有限元模拟分析。动力学分析结合DFT计算表明，双离子共嵌入可以加快电荷转移，降低离子扩散势垒，优化反应动力学。有限元模拟从力学角度验证了双离子共嵌入有助于减轻壳层中镁化/锂化引起的应力，并保持结构完整性。非原位表征说明了镁/锂的多步骤存储机制和结构的演变。

钒基硫化物由于稳定性差，电导率低，在放电/充电过程中通常会经历严重的结构损伤。为了缓解这一问题，利用原子掺杂来提高钒基硫化物材料在储能应用中的电导率。由于Cu 3d轨道形成的价带比S 3p轨道要浅得多，因此含有Cu (I)的金属硫化物具有非常小的带隙。加入Cu可以大大提高金属硫化物的导电性和结构稳定性。Cu₃VS₄作为双金属硫化物的成员，具有中间带隙电子结构，展现出优良的储镁容量。

为了从理论上证明Cu₃VS₄在Mg²⁺/Li⁺嵌入过程中的结构稳定性，采用有限元模拟分析方法可视化了双离子共嵌入策略对Cu₃VS₄电极的应力调节效果。通过比较嵌入锂和未嵌入锂时Cu₃VS₄的应力大小和分布，可以看出，Li⁺的加入会使球体在体积膨胀中应力值更低且分布更加均匀，从而能够承受更强的应力，有利于保持结构的完整性。

Dual-Ion Co-Insertion Engineering for Kinetics Enhancement and Stress Regulation in Cu₃VS₄ Toward Durable Magnesium/Lithium Hybrid Batteries

陈松博士，硕士生导师，2018年6月获得北京理工大学工学博士学位。2018年7月赴新加坡科技设计大学杨会颖教授课题组进行学术研究。2020年10月到2022年9月就职深圳大学微纳光电子学研究院，并于2021年3月评为深圳市海外高层次孔雀C类人才。2022年10月加入河北大学物理科学与技术学院。主要致力于纳米电极材料的设计构筑及其应用研究、新型电化学储能体系的动力学优化与储能机制探究，并已取得了一系列创新性的研究成果，以第一及通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Mater. Today、Nano Lett.、Nano Energy、Nano-Micro Lett.等国际知名期刊上发表论文10余篇。主持并参与国家级、省级项目多项。

杨会颖教授简介：新加坡科技设计大学教授、博士生导师。现任东盟工程院院士Fellow of ASEAN Academy of Engineering and Technology (FAAET)，英国皇家化学学会会士（Fellow of royal society of chemistry (FRSC)），新加坡工程师学会会士(Fellow of Institution of Engineering Singapore (FIES))，美国材料学会,美国工程学会,新加坡物理学会,新加坡化学学会及材料学会会员。她荣获多项国际科技奖项，其中包括2010年获新加坡欧莱雅女性国家科学家奖、2013年获新加坡杰出青年工程成就奖、2013年获陈嘉庚青年发明家奖、2013年获亚细安科学技术学院绿色能源大奖、2014年获美国工程学会杰出青年奖及2018年获新加坡物理学会纳米科技奖，2023年新加坡杰出女化学家奖。杨会颖主持多个国际及新加坡国家重大项目研究课题工作，累计获得新加坡以及国际的各个科研机构科研经费超1500万新币（>7500万人民币）。迄今为止，在Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Matter、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Chem等期刊上发表SCI论文350余篇，他引超过20000次, H指数81。

张文明教授简介：河北大学教授，博导，河北省杰青，河北省青年拔尖人才，河北大学优秀坤舆学者，海南大学材化学院客座教授，主要从事先进材料与能源器件研究。主持参与3项国家基金，主持省部级项目10余项。在国际、国内重要学术期刊上作为第一或通讯作者发表高档次文章近百篇，如Adv. Mater., Mater. Today, Energy Storage Mater., Nano Lett., Lab Chip, Nano Energy等。论文多次被国内外同行引用。获得多项授权发明专利，主编国家级教材1部，参编国家级教材3部。指导大学生竞赛获得10余个国家级和省级奖励，本人获得 “省级优秀指导教师” 称号，2022年获得河北省自然科学三等奖1项。在2023年入选全球前2%顶尖科学家。